黑色素瘤与肝脏之间的丙氨酸循环促进肿瘤生长

撰文 | 胡小话

责编 | Qi

目前，肿瘤代谢的研究存在两个局限性。第一，研究人员往往只关注肿瘤本身，但是肿瘤对于全身系统性代谢的改变却研究的很少；第二，模式动物的选择往往只局限于小鼠。

事实上，在研究肿瘤代谢时，斑马鱼可能是一个不错的模式动物，尤其是进行同位素示踪实验时，斑马鱼相比较小鼠更是具有无可比拟的优势：首先，它的操作更简单，标记物可以直接添加到培养箱的水里并通过斑马鱼皮肤、鳃和嘴而被直接摄入【1】；另外，标记的代谢物在很长的时间跨度内可以持续的被递送到动物体内而不需要经过手术泵、注射、麻醉等辅助操作【2】。因此，借助斑马鱼这一研究模型或许能够帮助我们更进一步的去探究肿瘤与系统代谢之间的关系。

2021年5月13日，来自华盛顿大学的Gary J. Patti研究团队在Cell Metabolism杂志上以Resource的形式发表了题为Isotope tracing in adult zebrafish reveals alanine cycling between melanoma and liver的研究文章，通过以斑马鱼作为肿瘤研究模型和同位素示踪分析作为技术手段，他们首次在体内揭示了黑色素瘤与肝脏之间的Alanine循环对于肿瘤生长是必需的。

作者首先构建了一个黑色素瘤的斑马鱼模型 (BRAFV600E突变+p53缺失)。通过分别用13C-Glutamine 和13C-Glucose去进行培养和代谢物示踪分析，作者观察到两个有趣的实验现象：第一，这些模式动物对Glutamine的摄取和利用很少，而对于Glucose的利用则要高的多，这与之前报道的体外的实验结果有所不同【3】；第二，尽管黑色素瘤细胞会疯狂的摄取和消耗Glucose, 但是斑马鱼体内的glucose水平却并没有大的改变。

那么荷瘤的斑马鱼如何保持体内的Glucose水平的稳定呢？为了回答这一科学问题，作者去探究了斑马鱼体内肝糖异生，发现糖原裂解和糖异生的水平都是升高的。进一步，通过分析13C-Glucose处理之后被标记的代谢物，作者发现Alanine似乎是肝脏糖异生的底物。这提示黑色素瘤在疯狂摄取Glucose的同时会产生大量的Alanine，而这些Alanine会被肝脏作为糖异生的底物，来维持体内Glucose的稳态。

同时，这引出了一个有趣的问题：黑色素瘤生成的Alanine的氮源从何而来呢？作者首先排除了巨胞饮 (macropinocytosis) 介导的蛋白摄取的氮源来源，于是作者推测氨基酸可能是细胞直接的氮源。借助代谢组学分析，作者发现斑马鱼血清中含量最高的氨基酸主要是BCAAs和Glutamine，而作者前期的实验结果已经基本排除Glutamine，因此他们最终将研究的目光聚焦到BCAA上。尽管之前的研究表明肌肉组织是分解代谢BCAA最主要的器官【4】，但是作者的实验结果显示斑马鱼体内的黑色素瘤细胞表现出与肌肉类似的代谢方式：代谢BCAA并排出 Alanine来供给肝脏的糖异生。

基于前面的机制研究，作者想去进一步探究抑制斑马鱼体内黑色素瘤Alanine的生成是否会抑制BCAA的代谢以及肿瘤的生长。于是作者用ALT的抑制剂β-chloroalanine来抑制Alanine的生成。他们发现β-chloroalanine处理会显著抑制黑色素瘤细胞内的BCAA代谢进入TCA循环，并且会导致斑马鱼血清和肝脏中BCAA的累积以及Alaline和Glucose水平的下降，此外，肿瘤的大小也减少了50%左右。这说明BCAA分解代谢以及通过生成Alanine来移除多余的氮源对于体内的黑色素瘤的生长是必需的。

总的来说，Gary J. Patti的研究团队首次以斑马鱼作为模式生物揭示了体内黑色素细胞独特的代谢方式：一方面，体内的黑色素瘤细胞会通过摄取大量的BCAA和Glucose来满足其旺盛的代谢需求，并将多余的氮源以Alanine的形式排出细胞外；另一方面，肿瘤细胞产生的Alanine又会被肝脏作为糖异生原料用于合成Glucose以维持体内的代谢稳态，进而为肿瘤的生长提供进一步的支持，可谓是“一举两得”。基于此，他们发现ALT或许是治疗黑色素瘤的一个潜在靶点。

原文链接：

https://doi.org/10.1016/j.cmet.2021.04.014

制版人：十一

参考文献

1. Dang, M., Fogley, R., and Zon, L.I. (2016a). Identifying novel cancer therapies using chemical genetics and zebrafish. Adv. Exp. Med. Biol. 916, 103–124.

2. Ferna´ ndez-Garcı´a, J., Altea-Manzano, P., Pranzini, E., and Fendt, S.M. (2020). Stable isotopes for tracing mammalian-cell metabolism in vivo. Trends Biochem. Sci. 45, 185–201.

3. Scott, D.A., Richardson, A.D., Filipp, F.V., Knutzen, C.A., Chiang, G.G., Ronai, Z.A., Osterman, A.L., and Smith, J.W. (2011). Comparative metabolic flux profiling of melanoma cell lines: beyond the Warburg effect. J. Biol. Chem. 286, 42626–42634.

4. Brosnan, J.T., and Brosnan, M.E. (2006). Branched-chain amino acids: enzyme and substrate regulation. J. Nutr. 136 (Supplement), 207S–211S.

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